一种智能折叠展开装置的制作方法

本发明涉及飞行器机构设计技术领域，尤其涉及一种折叠展开机构的设计。

背景技术：

在应用折叠机构的无人机或飞航导弹等飞行器中，传统机械传动机构需要较复杂的系统，且带来较大的赔重，使用智能材料进行机构设计有较明显优势，如高功率重量比，适于微型化等。

使用形状记忆合金的智能结构已广泛应用于航空航天领域。形状记忆合金可以增大机构变形驱动力和提高变形过程中的刚度，但若机构工作环境有较大载荷要求，所需结构重量将大大增加。

形状记忆聚合物作为一种新型智能材料，特点是形变大、比刚度大但驱动力较小，无法满足变形中驱动力和刚度的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种基于形状记忆材料特性，能在较大载荷下，实现机翼主动折叠展开的轻质高效智能折叠展开机构，能够解决现有技术折叠展开机构中形状记忆材料比刚度小或驱动力小的技术问题。

本发明提供了一种智能折叠展开装置，包括机翼翼面、智能铰链、固定单元和热驱动系统，所述的机翼翼面包括机翼内翼段和机翼外翼段，所述的智能铰链由m组单一铰链组成，所述的单一铰链由一片形状记忆聚合物复合材料片及n根形状记忆合金丝黏贴而成，单一铰链通过固定单元和机翼端头连接；所述的热驱动系统由加热膜和加热膜控制模块组成，所述的加热膜粘合在智能铰链上，所述的加热膜控制模块接收指令，对加热膜进行加热；所述的机翼外翼段通过智能铰链和机翼内翼段连接。

进一步的，所述的智能折叠展开机构还包括锁紧释放机构，所述的锁紧释放机构由锁紧片层和固定支座组成，所述的锁紧片层固定在机翼内翼上，所述的固定支座固定在机翼外翼段另一端，所述的热驱动系统中的另一部分加热膜粘在锁紧片层，通过加热膜控制模块控制加热膜在需要机翼打开时加热锁紧片层。

进一步的，所述的形状记忆合金丝黏贴在形状记忆聚合物复合材料片靠近上翼面方向。

进一步的，所述的单一铰链的数量和尺寸由具体机翼尺寸和重量确定。

进一步的，所述的单一铰链的形状记忆合金丝根据机翼展开过程中翼面气动力计算机构所承受扭矩，并折算为各单一铰链所承担扭矩，根据单一铰链扭矩计算展开过程中所需要的驱动力，确定形状记忆合金丝的选材、数量和尺寸。

进一步的，所述的形状记忆合金丝设置为偶数根，以在铰链内尽可能自平衡飞机偏航方向力矩，减小合金丝弯曲变形，使其能最大程度的发挥其驱动力强的特点。

进一步的，根据机构刚度及单一铰链载荷要求，对所述的形状记忆聚合物复合材料片进行选材和尺寸设计。

进一步的，所述的智能铰链上粘贴的加热膜的材料和尺寸根据机翼展开的时间和载荷计算铰链的工作功率来确定，所述的锁紧释放机构上粘贴的加热膜的材料和尺寸根据锁紧片层的展开时间决定。

智能折叠展开机构的展开过程如下：在机翼折叠状态下，由锁紧释放机构的锁紧片层缠紧在固定支座上提供锁紧力，使机翼外翼段压紧在机翼内翼段上，在需要展开时，加热膜控制模块接收到指令后，通过加热膜对锁紧片层的进行加热，锁紧片层受热伸直，释放机翼外翼段，同时加热膜控制模块控制加热膜对智能铰链加热，随形状记忆聚合物复合材料片和形状记忆合金丝展开，驱动力增大，推动机翼外翼段展开，展开后，加热膜控制模块停止加热，锁紧片层和形状记忆聚合物复合材料片迅速降温，智能铰链刚度变大，维持机翼展开状态。

应用本发明的技术方案，取得的有益效果如下：

(1)本发明通过形状记忆聚合物复合材料片及形状记忆合金丝粘贴组成的智能铰链，并通过形状记忆合金丝的偶数根数设计和形状记忆聚合物复合材料片黏贴位置的设计，同时解决了现有形状记忆材料的重量和刚度不能兼得的问题，使本发明的智能折叠装置重量轻且刚度大，有足够的推力推开机翼外翼段，并为机翼展开后的支撑提供足够的刚度。

(2)本发明中通过形状记忆材料控制的锁紧释放机构，在机翼折叠的时候提供压力使机翼外翼段压紧在机翼内翼段上，保证机翼在折叠时不会因意外而展开。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出机翼折叠状态示意图；

图2示出机翼展开状态示意图；

图3示出智能材料铰链示意图；

图4示出加热膜粘贴示意图；

图5示出锁紧机构锁紧状态示意图；

图6示出锁紧机构松开状态示意图。

图中：1.机翼內翼段；2.机翼外翼段；3.智能铰链；4.形状记忆聚合物复合材料片；5.形状记忆合金丝；6.加热膜；7.锁紧机构；8.锁紧片层；9.固定支座。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供了一种智能折叠展开装置，包括机翼翼面、智能铰链、固定单元和热驱动系统，机翼翼面包括机翼内翼段和机翼外翼段，智能铰链由m组单一铰链组成，单一铰链由一片提供变形刚度的形状记忆聚合物复合材料片及n根提供变形驱动力的形状记忆合金丝粘结而成，其中形状记忆合金丝黏贴在形状记忆聚合物复合材料片靠近上翼面方向，以使机翼展开过程中合金丝与复合材料片不脱粘，并可以增加力臂从而增大合金丝的驱动力臂；单一铰链通过固定单元和机翼端头连接；热驱动系统由加热膜和加热膜控制模块组成，加热膜粘合在智能铰链上，加热膜控制模块接收指令，对加热膜进行加热；机翼外翼段通过智能铰链和机翼内翼段连接。

在一个实施例中，智能折叠展开机构还包括锁紧释放机构，锁紧释放机构由锁紧片层和固定支座组成，锁紧片层固定在机翼内翼上，固定支座固定在机翼外翼段另一端，热驱动系统中的加热膜粘在锁紧片层，通过加热膜控制模块控制加热膜是否加热。

在一个实施例中，单一铰链的材料、数量和尺寸由具体机翼尺寸和重量确定，单一铰链的形状记忆合金根据机翼展开过程中翼面气动力计算机构所承受扭矩，并折算为各铰链所承担扭矩，根据铰链扭矩计算展开过程中所需要的驱动力，确定形状记忆合金的选材，并设置偶数根形状记忆合金丝，以在铰链内尽可能自平衡飞机偏航方向力矩，减小合金丝弯曲变形，使其能最大程度的发挥其驱动力强的特点，单一铰链的形状记忆聚合物复合材料根据机构刚度及单一铰链载荷的要求，对形状记忆聚合物复合材料片进行选材和尺寸设计。

智能铰链上粘贴的加热膜的材料和尺寸根据机翼展开的时间和载荷计算铰链的工作功率来确定，锁紧释放机构上粘贴的加热膜的材料和尺寸根据锁紧片层的展开时间决定。

在一个具体实施例中，如图3所示，智能铰链的两端通过固定单元固定在机翼内翼段和机翼外翼段的端面之间，本实施例中，展开过程中铰链受到的最大弯矩为90n·m,因此需要铰链变形过程中，拉伸模量不小于10gpa，强度不小于150mpa，且折叠状态下机翼厚度方向的包络尺寸需小于140mm，根据尺寸限制，铰链设计平直状态尺寸为100mm*20mm，折叠状态弯曲包络尺寸为138*60*80mm。根据载荷输入，铰链系统设计为四片t300-3000平纹碳纤维形状记忆聚合物和16根ti-ni形状记忆合金丝，使形状记忆合金丝粘贴在平纹碳纤维形状记忆聚合物上翼面的方向，设计强度大于250mpa，满足使用要求。如图4所示，为热驱动系统中的加热膜粘在单一铰链上，加热膜选取四片聚酰亚胺电加热膜，功率密度为1.64w/cm²，尺寸为22mm*50mm，额定电压为24v，单一铰链的上下两面各贴两片，以达到均匀加热的目的。

机翼的折叠状态如图1所示，在此状态下，智能铰链3中的形状记忆复合材料片处于弯曲状态，如图5所示，锁紧释放机构7通过固定于机翼内翼段的锁紧片层缠绕在固定于机翼外翼段的固定支架上，提供机翼外翼段贴近机翼内翼段的拉力，锁紧片层由形状记忆合金片制成，表面粘贴加热膜，当需要释放机翼外翼段时，加热膜对锁紧片层加热，锁紧片层受热后恢复伸直的形状，如图6所示，释放机翼外翼段。在其他实施例中，锁紧释放机构可由其他可实现锁紧释放的机构代替，比如电磁铁结构，在需要锁紧时加电使电磁铁产生磁力相吸使机翼外翼段和机翼内翼段贴近，需要释放时断电，还有其他的可实现此功能的结构皆可作为替换。

如图2所示，为智能折叠展开机构的展开状态，在此状态下，机翼外翼段和机翼内翼段处于展开状态，智能铰链迅速降温，形状记忆复合材料片的刚度增强，满足支撑机翼外翼段的刚度要求。

本发明将形状记忆合金丝和形状记忆聚合物复合材料片通过黏合方法进行结合，通过形状记忆合金丝的数目和尺寸的设计，以及黏贴位置的设计，可以得到一种形状记忆合金丝和形状记忆聚合物复合材料片协同增强的形状记忆复合材料，使其既能提供足够驱动力，又能在有限重量下维持不变形、不破坏，这有助于设计出能够在较大载荷下实现折叠机翼展开的铰链结构，提升飞机的操控性能。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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